Soorten motoren en hoe ze werken

Motoren zijn machines die een energiebron omzetten in fysieke arbeid. Als je iets nodig hebt om je voort te bewegen, is een motor precies wat je er op kunt zetten. Maar niet alle motoren zijn hetzelfde gemaakt, en verschillende soorten motoren werken zeker niet hetzelfde.

De meest intuïtieve manier om ze van elkaar te onderscheiden is waarschijnlijk het type energie dat elke motor gebruikt voor kracht.

• Thermische motoren
  • Inwendige verbrandingsmotoren (IC-motoren)
  • Uitwendige verbrandingsmotoren (EC-motoren)
  • Reactie motoren
• Elektromotoren
• Fysische motoren

Thermische motoren

In de breedst mogelijke definitie, hebben deze motoren een bron van warmte nodig om in beweging om te zetten. Afhankelijk van de wijze waarop zij deze warmte opwekken, kunnen dit verbrandingsmotoren (die dingen verbranden) of niet-verbrandingsmotoren zijn. Zij werken ofwel door directe verbranding van een drijfgas of door omzetting van een vloeistof om arbeid te genereren. Als zodanig vertonen de meeste thermische motoren ook enige overlapping met chemische aandrijfsystemen. Het kunnen luchtademmotoren zijn (die oxidatiemiddelen zoals zuurstof uit de atmosfeer halen) of niet-luchtademmotoren (die oxidatiemiddelen chemisch in de brandstof hebben gebonden).

Inwendige-verbrandingsmotoren

Inwendige-verbrandingsmotoren (IC-motoren) zijn tegenwoordig vrij alomtegenwoordig. Ze drijven auto’s, grasmaaiers, helikopters, enzovoort, aan. De grootste IC-motor kan 109.000 PK genereren om een schip aan te drijven dat 20.000 containers verplaatst. IC-motoren ontlenen energie aan brandstof die wordt verbrand in een speciaal gedeelte van het systeem, de zogeheten verbrandingskamer. Het verbrandingsproces genereert reactieproducten (uitlaatgassen) met een veel groter totaal volume dan dat van de reactanten samen (brandstof en oxidatiemiddel). Deze expansie is het eigenlijke brood en boter van IC-motoren – dit is wat in feite voor de beweging zorgt. Warmte is slechts een bijproduct van verbranding en vertegenwoordigt een verspild deel van de energievoorraad van de brandstof, omdat het in feite geen fysieke arbeid levert.

IC-motoren worden onderscheiden door het aantal ‘slagen’ of cycli dat elke zuiger maakt voor een volledige omwenteling van de krukas. Het meest gangbaar zijn tegenwoordig viertaktmotoren, die de verbrandingsreactie in vier stappen opsplitsen:

1. Inductie of inspuiting van een brandstof-luchtmengsel (de carburateur) in de verbrandingskamer.
2. Compressie van het mengsel.
3. Ontsteking door een bougie of compressie – brandstof gaat boem.
4. Emissie van de uitlaat.

Voor elke stap wordt een 4-takt zuiger afwisselend omlaag of terug omhoog geduwd. Ontsteking is de enige stap waarbij arbeid wordt gegenereerd in de motor, dus voor alle andere stappen is elke zuiger afhankelijk van energie van externe bronnen (de andere zuigers, een elektrische starter, handmatig starten, of de traagheid van de krukas) om te bewegen. Daarom moet u aan het koord van uw grasmaaier trekken, en heeft uw auto een werkende accu nodig om te kunnen starten.

Andere criteria voor het onderscheiden van IC-motoren zijn het gebruikte type brandstof, het aantal cilinders, de totale cilinderinhoud (inwendig volume van de cilinders), de verdeling van de cilinders (lijn-, radiaal-, V-motoren, enz.), alsmede het vermogen en de vermogen-gewichtsverhouding.

Externe verbrandingsmotoren

Externe verbrandingsmotoren (EC-motoren)houden de brandstof en de uitlaatproducten gescheiden – ze verbranden brandstof in één kamer en verhitten de werkvloeistof binnenin de motor via een warmtewisselaar of de wand van de motor. De grote vader van de industriële revolutie, de stoommachine, valt in deze categorie.

In sommige opzichten werken EC-motoren ongeveer hetzelfde als hun IC-tegenhangers – ze hebben allebei warmte nodig, die wordt verkregen door het verbranden van spul. Er zijn echter ook verscheidene verschillen.

EC-motoren gebruiken vloeistoffen die thermische dilatatie-contractie of een faseverschuiving ondergaan, maar waarvan de chemische samenstelling onveranderd blijft. De gebruikte vloeistof kan gasvormig zijn (zoals in de Stirlingmotor), vloeibaar (de Organische Rankine-cyclusmotor), of een faseverandering ondergaan (zoals in de stoommachine) – bij IC-motoren is de vloeistof bijna universeel een mengsel van vloeibare brandstof en lucht dat verbrandt (verandert van chemische samenstelling). Tenslotte kunnen de motoren de vloeistof na gebruik uitputten, zoals IC-motoren doen (open-cyclus motoren) of voortdurend dezelfde vloeistof gebruiken (gesloten-cyclus motoren).

Verrassend genoeg wekten de eerste stoommachines die industrieel werden gebruikt hun werk op door een vacuüm te creëren in plaats van druk. Deze zogeheten “atmosferische machines” waren logge machines en zeer onzuinig met brandstof. Na verloop van tijd namen stoommachines de vorm en eigenschappen aan die we tegenwoordig van motoren verwachten en werden ze efficiënter – met zuigerstoommachines die het zuigersysteem introduceerden (nog steeds in gebruik door IC-motoren vandaag de dag) of samengestelde motorsystemen die de vloeistof in cilinders hergebruikten bij afnemende druk om extra ‘oomph’ te genereren.

Heden ten dage zijn stoommachines niet meer algemeen in gebruik: het zijn zware, logge dingen, hebben een veel lagere brandstofefficiëntie en vermogen-gewichtsverhouding dan IC-motoren, en kunnen niet zo snel van vermogen veranderen. Maar als je je niet stoort aan hun gewicht en omvang, en een constante toevoer van werk nodig hebt, zijn ze geweldig. Als zodanig wordt EC tegenwoordig met groot succes gebruikt als stoomturbinemotoren voor marineoperaties en krachtcentrales.

Nucleaire energietoepassingen hebben het onderscheid dat ze niet-verbrandende of externe thermische motoren worden genoemd, omdat ze volgens dezelfde principes van EC-motoren werken, maar hun vermogen niet aan verbranding ontlenen.

Reactiemotoren

Reactiemotoren, in de volksmond straalmotoren genoemd, genereren stuwkracht door reactionaire massa te verdrijven. Het basisprincipe achter een reactiemotor is de derde wet van Newton – in principe, als je iets met voldoende kracht door de achterkant van de motor blaast, zal het de voorkant naar voren duwen. En straalmotoren zijn daar erg goed in.

De dingen die we gewoonlijk een ‘straalmotor’ noemen, de motoren die aan een Boeing-passagiersvliegtuig zijn bevestigd, zijn strikt genomen luchtademende straalmotoren en vallen onder de turbine-aangedreven klasse van motoren. Ramjetmotoren, die gewoonlijk als eenvoudiger en betrouwbaarder worden beschouwd omdat zij minder (tot geen) bewegende delen bevatten, zijn ook luchtademende straalmotoren, maar vallen in de klasse ram-aangedreven motoren. Het verschil tussen de twee is dat ramjets vertrouwen op pure snelheid om lucht in de motor te voeren, terwijl turbojets turbines gebruiken om lucht aan te zuigen en samen te persen in de verbrandingskamer. Verder functioneren ze grotendeels hetzelfde.

In turbojets wordt lucht in de motorruimte gezogen en samengeperst door een draaiende turbine. Ramjets zuigen lucht aan en persen het samen door heel snel te gaan. In de motor wordt het gemengd met krachtige brandstof en ontstoken. Wanneer je lucht (en dus zuurstof) concentreert, vermengt met veel brandstof en tot ontploffing brengt (waardoor uitlaatgassen ontstaan en al het gas thermisch expandeert), krijg je een reactieproduct dat een enorm volume heeft in vergelijking met de aangezogen lucht. De enige plaats waar al deze gasmassa’s doorheen kunnen is aan de achterkant van de motor, en dat gebeurt met extreme kracht. Op weg daarheen drijft het de turbine aan, waardoor meer lucht wordt aangezogen en de reactie in stand wordt gehouden. En om het nog erger te maken, zit er aan de achterkant van de motor een stuwstraalpijp.

Dit stukje hardware dwingt al het gas door een nog kleinere ruimte te gaan dan waar het in eerste instantie doorheen kwam – en versnelt het zo verder tot ‘een straal’ van materie. De uitlaatgassen verlaten de motor met ongelooflijke snelheden, tot driemaal de geluidssnelheid, en stuwen het vliegtuig voort.

Niet-luchtademende straalmotoren, of raketmotoren, werken net als straalmotoren zonder het voorste gedeelte – omdat ze geen extern materiaal nodig hebben om de verbranding in stand te houden. We kunnen ze in de ruimte gebruiken, omdat ze alle benodigde oxidatiemiddelen in de brandstof hebben zitten. Ze zijn een van de weinige motortypes die consequent vaste brandstoffen gebruiken.

Warmtemotoren kunnen belachelijk groot zijn, of juist schattig klein. Maar wat als je alleen een stopcontact hebt, en je moet je spullen van stroom voorzien? Nou, in dat geval heb je nodig:

Elektromotoren

Ah ja, de schone bende. Er zijn drie soorten klassieke elektromotoren: magnetische, piëzo-elektrische en elektrostatische.

De magnetische, zoals de batterij daar, is de meest gebruikte van de drie. Hij berust op de wisselwerking tussen een magnetisch veld en elektrische stroom om arbeid te genereren. Hij werkt volgens hetzelfde principe dat een dynamo gebruikt om elektriciteit op te wekken, maar dan omgekeerd. In feite kun je een beetje elektrisch vermogen opwekken als je een elektromagnetische motor met de hand aanzwengelt.

Om een magnetische motor te maken heb je een paar magneten en een gewikkelde geleider nodig. Wanneer een elektrische stroom wordt toegepast op de wikkeling, induceert het een magnetisch veld dat interactie heeft met de magneet om rotatie te creëren. Het is belangrijk deze twee elementen gescheiden te houden, daarom hebben elektromotoren twee hoofdcomponenten: de stator, die het buitenste deel van de motor is en onbeweeglijk blijft, en een rotor die binnenin de stator ronddraait. De twee worden gescheiden door een luchtspleet. Gewoonlijk zijn in de stator magneten ingebouwd en is de geleider om de rotor gewikkeld, maar de twee zijn onderling verwisselbaar. Magnetische motoren zijn ook uitgerust met een commutator om de elektrische stroom te verleggen en het geïnduceerde magnetische veld te moduleren terwijl de rotor draait om de rotatie in stand te houden.

Piezo-elektrische aandrijvingen zijn typen motoren die gebruik maken van de eigenschap van sommige materialen om ultrasone trillingen op te wekken wanneer zij worden onderworpen aan een stroom elektriciteit om zo arbeid te creëren. Elektrostatische motoren gebruiken gelijksoortige ladingen om elkaar af te stoten en rotatie in de rotor op te wekken. Aangezien de eerste dure materialen gebruikt en de tweede relatief hoge voltages vereist om te werken, zijn zij niet zo gebruikelijk als magnetische aandrijving.

Klassieke elektrische motoren hebben één van de hoogste energieefficiency van alle motoren die er zijn, die tot 90% van de energie in arbeid omzetten.

Ion aandrijving

Ion aandrijving is een soort mengeling tussen een straalmotor en een elektrostatische. Deze klasse van aandrijvingen versnelt ionen (plasma) met behulp van een elektrische lading om voortstuwing te genereren. Ze werken niet als er al ionen in de buurt van het vaartuig zijn, dus ze zijn nutteloos buiten het vacuüm van de ruimte.

Ze hebben ook een zeer beperkte vermogensafgifte. Maar omdat ze alleen elektriciteit en individuele gasdeeltjes als brandstof gebruiken, zijn ze uitgebreid bestudeerd voor gebruik in ruimteschepen. Deep Space 1 en Dawn hebben met succes gebruik gemaakt van ionenaandrijving. Toch lijkt de technologie het meest geschikt voor kleine vaartuigen en satellieten, aangezien het elektronenspoor dat door deze aandrijvingen wordt achtergelaten hun algemene prestaties negatief beïnvloedt.

EM/Cannae-aandrijvingen

EM/Cannae-aandrijvingen gebruiken elektromagnetische straling in een microgolfholte om vertrouwen op te wekken. Het is waarschijnlijk de meest eigenaardige van alle soorten motoren. Het wordt zelfs de “onmogelijke” aandrijving genoemd omdat het een niet-reactionaire aandrijving is – wat betekent dat het geen ontlading produceert om stuwkracht op te wekken, waardoor de derde wet lijkt te worden omzeild.

“In plaats van brandstof gebruikt het microgolven die weerkaatsen op een zorgvuldig afgestelde set reflectoren om kleine hoeveelheden kracht te bereiken en daardoor stuwkracht zonder stuwstof te genereren,” rapporteerde Andrei over de aandrijving.

Er is veel discussie geweest over de vraag of dit type motor echt werkt of niet, maar NASA-tests hebben bevestigd dat hij functioneel in orde is. Hij krijgt in de toekomst zelfs een upgrade. Omdat hij alleen elektrische energie gebruikt om stuwkracht op te wekken, zij het in minieme hoeveelheden, lijkt hij de meest geschikte aandrijving voor ruimteverkenning.

Maar dat is in de toekomst. Laten we eens kijken hoe het allemaal begon. Laten we eens kijken naar:

Physische motoren

Deze motoren berusten op opgeslagen mechanische energie om te functioneren. Klokwerkmotoren, pneumatische en hydraulische motoren zijn allemaal fysieke aandrijvingen.

Ze zijn niet erg efficiënt. Ze kunnen meestal ook geen beroep doen op grote energiereserves. Klokwerkmotoren bijvoorbeeld slaan elastische energie op in veren, en moeten elke dag worden opgewonden. Pneumatische en hydraulische motoren moeten zware buizen met samengeperste vloeistoffen ronddragen, die over het algemeen niet erg lang meegaan. De Plongeur bijvoorbeeld, ’s werelds eerste mechanisch aangedreven onderzeeër die tussen 1860 en 1863 in Frankrijk werd gebouwd, had een heen en weer bewegende luchtmotor die werd gevoed door 23 tanks met een druk van 12,5 bar. Ze namen een enorme ruimte in beslag (153 kubieke meter) en waren slechts voldoende om het vaartuig 5 zeemijlen (9 km) met 4 knopen te laten varen.

Toch waren fysieke aandrijvingen waarschijnlijk de eerste die ooit werden gebruikt. Katapulten, trebuchets, of stormrammen berusten allemaal op dit soort motoren. Zo ook door mens of dier aangedreven kranen – die alle lang vóór alle andere soorten motoren in gebruik zijn geweest.

Dit is bij lange na geen volledige lijst van alle motoren die de mens heeft gemaakt. Niet te vergeten dat de biologie ook aandrijvingen heeft gemaakt – en die behoren tot de meest efficiënte die we ooit hebben gezien. Maar als je dit allemaal leest, ben ik er vrij zeker van dat je brandstof nu op is. Dus rust uit, ontspan, en de volgende keer dat je een motor tegenkomt, ga er dan met je handen en je neus helemaal ingevet doorheen – we hebben je de basis verteld.